蚯蚓活動對土壤氨基酸組分及含量的影響

王 斌, 蔣洋楊, 焦加國, 劉滿強, 陳 歡, 胡 鋒, 李輝信

1 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院, 南京 210095 2 安徽省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程研究所, 合肥 230031 3 江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210095

蚯蚓活動對土壤氨基酸組分及含量的影響

王 斌1,2, 蔣洋楊1, 焦加國1, 劉滿強1,3, 陳 歡1, 胡 鋒1, 李輝信1,3,*

1 南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院, 南京 210095 2 安徽省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)工程研究所, 合肥 230031 3 江蘇省有機固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210095

通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究了赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)和威廉環(huán)毛蚓(Metaphireguillelmi)對土壤氨基酸組分及含量的影響，并探討了兩種不同生活型蚯蚓作用效果的異同。結(jié)果表明：蚯蚓活動可顯著改變土壤氨基酸含量，愛勝蚓作用下土壤酸解氨基酸和游離氨基酸分別增加5.08 g/kg和7.72 mg/kg，環(huán)毛蚓作用下土壤酸解氨基酸和游離氨基酸分別增加3.86 g/kg和4.44 mg/kg。各處理酸解氨基酸均以中性氨基酸所占比例為最大(平均51.9%)，酸性氨基酸次之(平均23.3%)，而含硫氨基酸(平均14.4%)及堿性氨基酸最少(平均10.4%)。各處理游離氨基酸同樣以中性氨基酸為主，平均54.4%，而以堿性氨基酸含量最少，平均僅為7.2%。蚯蚓活動并未改變土壤氨基酸可檢出種類，各處理分別檢測出16種酸解氨基酸和14種游離氨基酸。土壤酸解氨基酸和游離氨基酸組分含量在蚯蚓作用下均有明顯改變：加入愛勝蚓后土壤酸解氨基酸組分中天冬氨酸、精氨酸、甲硫氨酸、丙氨酸、賴氨酸和甘氨酸增幅較高，均在85.7%以上，纈氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、亮氨酸、酪氨酸和組氨酸增幅較小在40.7%—62.7%間波動；加入環(huán)毛蚓后土壤酸解氨基酸組分中甲硫氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、酪氨酸和丙氨酸增幅較大，均在71.9%以上，甘氨酸、精氨酸、異亮氨酸增幅適中，分別為56.8%、55.6%和54.9%；絲氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、組氨酸和苯丙氨酸增幅最小，均在40%以下；游離氨基酸組分中組氨酸、精氨酸、甘氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和丙氨酸在加入愛勝蚓后增加的幅度較大，增幅在150.0%以上，增幅較為緩和的氨基酸組分有天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、纈氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸，介于58.8%—92.1%之間；環(huán)毛蚓作用下，天冬氨酸、精氨酸、絲氨酸和異亮氨酸增幅最大，分別為184.2%、173.3%、163.0%和116.6%；蘇氨酸、亮氨酸、纈氨酸和甘氨酸增幅較緩，介于52.3%—92.7%之間；谷氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和甲硫氨酸增幅較低，均在33.1%之下；而半胱氨酸在蚯蚓作用下顯著降低，降幅為11.8%。對比兩種生活型蚯蚓作用效果可知，土壤氨基酸總含量及各組分含量在愛勝蚓和環(huán)毛蚓作用下的增加或減少趨勢相同(土壤酸解氨基酸組分纈氨酸除外)，但改變幅度卻存在明顯差異，總體而言，愛勝蚓作用效果優(yōu)于環(huán)毛蚓。

蚯蚓; 土壤; 酸解氨基酸; 游離氨基酸

作為土壤中一類重要的化合物，氨基酸占土壤中全氮的15%—60%[1]，是土壤氮素循環(huán)和作物養(yǎng)分供給過程中重要的“庫”和“源”，可通過礦化作用提供可利用氮源來不斷地滿足作物氮素營養(yǎng)的需求[2]，也可以被植物直接吸收利用；同時它還是一種植物生長調(diào)節(jié)劑，作為前體通過土壤微生物代謝途徑合成植物生長激素，進而刺激植物生長，調(diào)節(jié)植物生理過程[3]；此外，它也是微生物重要的營養(yǎng)源之一，對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量和活性均有直接影響。氨基酸是土壤微生物、植物及環(huán)境因子交互作用的平衡產(chǎn)物，研究土壤中氨基酸的組分及含量變化規(guī)律，對研究土壤中氮的來源及轉(zhuǎn)化，及其對作物生理生態(tài)變化的影響均有重要的實際意義。因而，國外學者在土壤氨基酸的研究方面做了不少工作，但是主要集中在環(huán)境、氣候、耕作方式、施肥方式、作物等因素對土壤中氨基酸組成和含量的影響方面[4-7]，很少有研究涉及到土壤動物特別是蚯蚓對土壤氨基酸的影響。據(jù)研究，蚯蚓對土壤肥力以及土壤生物學性質(zhì)均有著明顯的改善作用[8]，并能夠促進植物養(yǎng)分吸收和生長發(fā)育[9]，通過其掘穴、排糞、攪動及其他活動可以明顯改變土壤理化性質(zhì)，改變土壤生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[10-11]；被譽為是土壤生態(tài)系統(tǒng)工程師的蚯蚓在土壤生態(tài)系統(tǒng)中起著重要且不可替代的作用[12-14]。鑒于此，本文中采取赤子愛勝蚓(寡毛目正蚓科愛勝蚓屬，食碎屑類表棲型蚯蚓)和威廉環(huán)毛蚓(寡毛目巨蚓科環(huán)毛蚓屬，食土類深棲型蚯蚓)兩種不同生活型的蚯蚓作用于土壤后，利用氨基酸分析儀詳細測定了被作用土壤酸解氨基酸及游離氨基酸的組分及含量的變化，同時對比分析了兩種蚯蚓間作用效果的異同，為進一步揭示蚯蚓的生態(tài)功能機理和開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)供試土壤 土壤于采自江蘇省南京市江寧區(qū)麒麟門菜地(N 32°05′, E 118°93′)，土壤類型為黃棕壤，采樣深度為0—20 cm。本地塊長期(10a以上)施用以豬糞為主的農(nóng)家肥，種植作物為白菜、生菜、辣椒和番茄等蔬菜。土壤基本養(yǎng)分性質(zhì)為：有機碳含量為 26.9 g/kg，全氮 2.3 g/kg，全磷1.5 g/kg，速效磷182.7 mg/kg。

(2)供試蚯蚓 本實驗使用赤子愛勝蚓(Eiseniafoetida)(食碎屑型)和威廉環(huán)毛蚓(Metaphireguillelmi)(食土型)兩種不同生活型蚯蚓。赤子愛勝蚓購自江蘇省南京市江北某蚯蚓養(yǎng)殖場，威廉環(huán)毛蚓采自江蘇省南京市麒麟門菜地。所有供試蚯蚓均要經(jīng)過篩選，必須為有環(huán)帶的成年蚓，赤子愛勝蚓的體重控制在0.21—0.32 g，威廉環(huán)毛蚓體重控制在4.34—5.86 g。蚯蚓采集后，經(jīng)過純凈水洗凈后在黃棕壤土中養(yǎng)殖一周。

(3)培養(yǎng)容器 圓柱形半透明塑料容器(底徑10 cm×高12.4 cm)，其下端密封，上端在加入蚯蚓后用透氣膜封口。

1.2 試驗設計

本試驗于南京農(nóng)業(yè)大學土壤生態(tài)實驗室進行，共設置3個處理，每個處理4個重復。① CK：500.0 g供試土壤，不加蚯蚓。② EE：500.0 g供試土壤，加赤子愛勝蚓(80條，平均體重0.25 g，共20g)。③ EM：500.0 g供試土壤，加威廉環(huán)毛蚓(4條，平均體重5 g，共20g)。兩種生活型蚯蚓添加的總生物量保持一致，加入蚯蚓后，盆缽內(nèi)蚯蚓密度為采樣地區(qū)蚯蚓密度的2倍(養(yǎng)殖場和菜地中蚯蚓密度都比較高，室內(nèi)培養(yǎng)試驗設計時又將密度提高了1倍)。

1.3 試驗方法

1.3.1 采樣方法

將供試土壤均勻置于12個塑料培養(yǎng)容器中，每個容器內(nèi)裝入500.0 g。調(diào)整每個容器內(nèi)容物的含水量為30%后將容器放置于暗處預培養(yǎng)3d。3d后，按照上述試驗設計在每個容器中加入相應的蚯蚓。所有處理蚯蚓添加完成后用透氣膜封口以防止蚯蚓逃逸(膜上用大頭針刺空以保證空氣交換)。最后將處理好的容器放在(22±0.5)℃的暗處，培養(yǎng)30d。在培養(yǎng)時，每隔兩天用補重法為每個處理補水以保持土壤的含水量穩(wěn)定。培養(yǎng)結(jié)束后，每個處理破壞性采樣，手工挑出蚯蚓和蚯蚓繭(只有赤子愛勝蚓處理有蚓繭)后將容器內(nèi)剩余土壤混勻并儲存在-20℃冰箱內(nèi)，以供測定分析。

1.3.2 分析方法

(1)土壤氨基酸測定 采用最常用的酸解法分析[15]，具體如下：土壤采集后，風干混勻后并將部分土樣研細，過2 mm篩后用以測定氨基酸含量。準確稱取土壤2.0 g，加入10 mL鹽酸(6 mol/L)，在110℃下封管水解20 h后取出冷卻，將水解液過濾到蒸發(fā)皿中，并用少量蒸餾水多次淋洗殘渣，隨后，在水浴鍋(40—50℃)上干燥濾液，干燥后的殘留物用2—3 mL去離子水溶解，蒸干。如此重復進行2—3次，使HCl完全揮發(fā)，最后一次蒸干后，用pH 2.2的緩沖液溶解定容后，經(jīng)H型酸性陰離子交換樹脂柱純化，用氨基酸分析儀測定各種氨基酸的組分和含量。

(2)土壤游離氨基酸測定 準確稱取土樣10 g于100 mL離心管中，加入40 mL純凈水，混勻。在20℃條件下，搖床中震蕩2h，轉(zhuǎn)速為200 r/min。然后在4500 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min后取上清液過0.45 μm濾膜后備用。將制備好的DOM置于蒸發(fā)皿上在50℃烘箱中蒸干。用1. 5 mL純凈水溶解蒸干的殘渣，加4mL氯仿，混勻，將液體倒入離心管中，再用2 mL氯仿沖洗蒸發(fā)皿2次。3000 r/min離心20 min，小心吸取上清液1 mL于1.5 mL離心管中4℃冰箱保存，用氨基酸分析儀測定各種氨基酸的組分和含量[16]。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用 SPSS軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析評價處理之間的顯著差異，采用最小顯著極差法(LSD)進行平均值多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓生物量

在培養(yǎng)期結(jié)束時，所有處理中兩種生活型蚯蚓生物量和數(shù)量均無顯著變化。愛勝蚓和環(huán)毛蚓生物量生物量分別下降3%和6%；兩種蚯蚓數(shù)量在整個培養(yǎng)過程中均無變化。

2.2 蚯蚓活動對土壤酸解氨基酸的影響

2.2.1 蚯蚓活動對土壤酸解氨基酸總量的影響

接種蚯蚓可顯著提高土壤酸解氨基酸的總含量，和對照相比，EE和EM處理中酸解氨基酸總含量分別提高了5.07 g/kg和3.86 g/kg(圖1)。愛勝蚓對土壤酸解氨基酸總量的提升效果明顯強于環(huán)毛蚓。

圖1 蚯蚓活動對土壤酸解氨基酸及游離氨基酸總量的影響

2.2.2 蚯蚓活動對土壤酸解氨基酸種類及含量的影響

氨基酸可以分為酸性、堿性、中性和含硫氨基酸等4類(表1)。其中，中性氨基酸為優(yōu)勢組分、所占比例最高，在S、EE和EM處理中，中性氨基酸分別占各自氨基酸總量的55.4%、50.5%和49.9%；堿性氨基酸含量最少，在上述處理中分別占各自氨基酸總量的10.2%、10.2%和10.8%。4類氨基酸在蚯蚓作用后的含量相對于對照均有增加，EE處理酸性、堿性、中性和含硫氨基酸含量分別增加1.39、0.52、2.19 g/kg和0.97 g/kg；EM處理中分別增加0.79、0.46、1.5 g/kg和1.11 g/kg。對比兩種不同生活型蚯蚓作用效果可知，愛勝蚓對土壤酸性、堿性、中性3類氨基酸的提升效果均強于環(huán)毛蚓。

蚯蚓活動并未改變土壤酸解氨基酸的種類組成，S、EE和EM處理土壤中可檢測出的酸解氨基酸種類均為16種(表1)。S處理中以谷氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸和天冬氨酸為主，這4種氨基酸的含量總和占土壤中酸解氨基酸總量的40.8%。蚯蚓活動改變了土壤酸解氨基酸的優(yōu)勢組分，EE和EM處理中優(yōu)勢氨基酸組分為谷氨酸、甲硫氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸，其總和分別占土壤中酸解氨基酸總量的43.6%和43.1%，和對照相比甲硫氨酸取代半胱氨酸成為優(yōu)勢組分。3個處理土壤中酸解氨基酸含量最高和最低組分相同，分別為谷氨酸和精氨酸。

蚯蚓活動可以明顯改變土壤酸解氨基酸各個組分的含量。土壤中接種愛勝蚓以后，共有15種氨基酸含量顯著提高，增幅較大的組分為甲硫氨酸、天冬氨酸、精氨酸、丙氨酸、甘氨酸和賴氨酸，增幅均在85.7%以上，其中甲硫氨酸增幅高達373.3%；纈氨酸、亮氨酸、酪氨酸、谷氨酸、蘇氨酸、組氨酸及絲氨酸增幅適中，在40.7%—62.7%之間；增幅最小的為異亮氨酸和苯丙氨酸，分別為39.2%和27.8%；而半胱氨酸在愛勝蚓作用下顯著下降0.15g/kg，下降幅度達25.4%。環(huán)毛蚓作用下，共有14種土壤酸解氨基酸顯著升高，其中甲硫氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、酪氨酸和丙氨酸增幅較大，均在71.9%以上，甲硫氨酸增幅更高達403.3%；甘氨酸、精氨酸、異亮氨酸增幅適中，分別為56.8%、55.6%和54.9%；絲氨酸、亮氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、組氨酸和苯丙氨酸增幅最小，均在40%以下，其中苯丙氨酸增幅只有16.5%；纈氨酸和半胱氨酸在環(huán)毛蚓作用下分別降低0.04 g/kg和0.11 g/kg(纈氨酸下降水平未達顯著)。

表1 蚯蚓活動對土壤酸解氨基酸種類及含量的影響

兩種不同生活型蚯蚓作用土壤后，氨基酸組分含量的變化趨勢是相同的(纈氨酸除外)，但是兩種蚯蚓的作用的強弱程度卻存在一定差異。環(huán)毛蚓對甲硫氨酸、異亮氨酸、酪氨酸和賴氨酸的作用效果顯著優(yōu)于赤子愛勝蚓的作用效果；而對于其他11種組分，愛勝蚓的作用效果更佳。

2.3 蚯蚓活動對土壤游離氨基酸的影響

2.3.1 蚯蚓活動對土壤游離氨基酸總量的影響

土壤游離氨基酸總量在蚯蚓作用下顯著提高(圖1)，S、EE和EM處理游離氨基酸總含量分別為8.56、16.28 mg/kg和13.00 mg/kg，愛勝蚓和環(huán)毛蚓分別使土壤游離氨基酸含量提高90.1%和51.9%。對比兩種不同生活型蚯蚓作用效果可知，愛勝蚓作用效果顯著高于環(huán)毛蚓。

2.3.2 蚯蚓活動對土壤游離氨基酸種類及含量的影響

四類氨基酸里所占比例最高的為中性氨基酸，S、EE和EM處理比例分別為50.7%、55.0%和57.5%；堿性氨基酸含量最少，3個處理比例分別為3.2%、13.3%和4.6%。酸性、堿性和中性氨基酸在蚯蚓作用后顯著增加，愛勝蚓和環(huán)毛蚓分別使酸性、堿性、中性氨基酸顯著增加1.32 mg/kg和1.17 mg/kg，1.85 mg/kg和0.29 mg/kg，4.61 mg/kg和3.14 mg/kg；而含硫氨基酸含量在兩種蚯蚓作用下分別減少0.06 mg/kg和0.16 mg/kg，但差異未達顯著水平。對比兩種不同生活型蚯蚓作用效果可知，愛勝蚓作用效果略強。

根據(jù)表2結(jié)果可知，土壤可檢測出的游離氨基酸種類較酸解氨基酸少，3個處理都只能檢測出14種，酪氨酸和賴氨酸并未檢出。兩種生活型蚯蚓并未改變土壤游離氨基酸的種類。S、EE和EM 3個處理中優(yōu)勢氨基酸組分均為半胱氨酸、谷氨酸、苯丙氨酸和絲氨酸，這4種氨基酸的含量總和分別占各自土壤游離氨基酸總量的62.0%、47.2%和56.9%。3個處理土壤中游離氨基酸含量最高的組分分別為半胱氨酸、谷氨酸和絲氨酸，含量分別為1.69、2.35 mg/kg和2.42 mg/kg。含量最少的組分均為異亮氨酸。

表2 蚯蚓活動對土壤游離氨基酸種類及含量的影響

和對照相比，接種蚯蚓后土壤游離氨基酸各個組分含量發(fā)生明顯改變。土壤游離氨基酸在愛勝蚓作用下共有13種組分升高(除甲硫氨酸外差異均達顯著)，其中組氨酸、精氨酸、甘氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和丙氨酸提高幅度較大，均在150.0%以上，尤其以組氨酸增幅最高為793.3%；天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、纈氨酸、谷氨酸和苯丙氨酸增幅較為平緩，介于58.8%—92.1%之間；增幅最小的是甲硫氨酸，僅增加4.4%；而半胱氨酸在愛勝蚓作用下降低0.07mg/kg，但其差異未達顯著水平。環(huán)毛蚓作用下，同樣有13種氨基酸升高(除丙氨酸和甲硫氨酸外差異均達顯著)，其中天冬氨酸、精氨酸、絲氨酸和異亮氨酸增幅最大，分別為184.2%、173.3%、163.0%和116.6%；蘇氨酸、亮氨酸、纈氨酸和甘氨酸增幅較緩，介于52.3%—92.7%之間；谷氨酸、組氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸和甲硫氨酸增幅較低，均在33.1%之下，其中甲硫氨酸增幅僅為11.1%；而半胱氨酸在蚯蚓作用下顯著降低，降幅為11.8%。

對比兩種生活型蚯蚓作用效果可知，氨基酸各組分含量在愛勝蚓和環(huán)毛蚓作用下的增加或減少趨勢相同，但幅度卻存在明顯差異。天冬氨酸和絲氨酸在環(huán)毛蚓作用下增加幅度較大，和愛勝蚓相比，兩種氨基酸分別多增加92.1%和85.9%；谷氨酸、組氨酸、精氨酸、甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和苯丙氨酸則是在愛勝蚓的作用下增加效果更強；兩種蚯蚓對蘇氨酸的增加效果差異未達顯著水平；而半胱氨酸的減少效果以環(huán)毛蚓更大。

3 討論

氨基酸是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的化合物之一，它是土壤有機氮的重要組成部分，是植物和土壤微生物的重要營養(yǎng)源，并直接影響著土壤肥力和供氮能力，在土壤營養(yǎng)循環(huán)過程中占據(jù)著重要的位置[3,17]。土壤中的氨基酸主要來源于微生物、動植物及其代謝產(chǎn)物，如土壤有機質(zhì)的降解，動植物的分泌或微生物的合成[17]，其數(shù)量大小取決于氣候、凋落物、植被、土壤類型、土壤動物和耕作方式等多種因素的綜合作用[18]，而蚯蚓也是影響土壤氨基酸的因素之一。本文研究結(jié)果表明，蚯蚓活動可以顯著增加土壤酸解氨基酸和游離氨基酸的含量，造成這個結(jié)果的原因可能有以下幾個方面：(1)蚯蚓體主要由蛋白質(zhì)組成，接種的蚯蚓為土壤生態(tài)系統(tǒng)引入大量蛋白質(zhì)，而蚯蚓死亡分解后會導致土壤氨基酸的增加(本文中蚯蚓未死亡，但生物量降低導致土壤系統(tǒng)中蛋白質(zhì)含量增加)；(2)蚯蚓活動會分泌大量的膠粘物質(zhì)，通過代謝進入土壤中，這些代謝物質(zhì)中含有大量可溶性氨基酸[19]，導致土壤氨基酸含量增加；(3)氨基酸是微生物可以直接利用的氮源之一，同時又是微生物合成的產(chǎn)物，微生物在消耗氨基酸的同時又在生成氨基酸，而蚯蚓可以通過改變微生物群落、數(shù)量和活性間接對土壤氨基酸產(chǎn)生影響[20]；(4)凋落物的分解和植物根系分泌是土壤氨基酸的直接來源，蚯蚓通過挖掘、吞食等活動可以加強凋落物分解和植物根系分泌氨基酸的能力，從而間接增加土壤氨基酸含量；(5)蚯蚓可以通過分泌、代謝等途徑改變土壤的pH、DOC含量及碳水化合物含量，從而間接改變土壤氨基酸的含量[21]。

游離氨基酸是存在于土壤溶液和空隙中以可溶性游離狀態(tài)存在的氨基酸，雖然含量微小，但周轉(zhuǎn)快，通量大，可被植物和微生物直接利用，因而在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中起著極其重要的作用[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤游離氨基酸總含量在兩種生活型蚯蚓作用下分別提高90.2%和51.9%，和酸解氨基酸總量的提升幅度相比，提升幅度提高24.7%和2.1%，這說明蚯蚓活動不僅提高了土壤中氨基酸的總量，更提高了游離氨基酸在土壤總氨基酸中所占比例，這對增加土壤可利用氮通量，提高微生物和植物的氮利用率均有積極作用，在一定程度上，揭示了蚯蚓活動促進植物生長和提升土壤微生物活性和數(shù)量的內(nèi)在原因。

S、EE和EM處理土壤酸解氨基酸以中性氨基酸含量為最高，酸性氨基酸次之，而含硫氨基酸及堿性氨基酸最少。這與自然條件下土壤氨基酸比例相似，陳水挾等的研究表明，我國閩北各種類型土壤均以中性氨基酸為主，占氨基酸總量的60%—75%，酸性氨基酸次之(20%—40%)，而堿性和含硫氨基酸最少。這說明，蚯蚓活動并未改變土壤中酸性、中性、堿性和含硫氨基酸組分的比例，而是以相似的比率均衡提升了4種類型氨基酸的含量。土壤酸解氨基酸的優(yōu)勢組分在蚯蚓作用下發(fā)生明顯改變，處理后的土壤酸解氨基酸優(yōu)勢組分由谷氨酸、苯丙氨酸、半胱氨酸和天冬氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼帷⒓琢虬彼帷⑻於彼岷捅奖彼幔蛯φ障啾燃琢虬彼崛〈腚装彼岢蔀閮?yōu)勢組分之一。甲硫氨酸與生物體內(nèi)各種含硫化合物的代謝密切相關，是體內(nèi)活性甲基和硫的主要來源，土壤生態(tài)系統(tǒng)中接種大量的蚯蚓后，蚯蚓生物的降低和代謝活動的急劇增強可能是甲硫氨酸顯著增加的原因，具體途徑有待進一步研究。

研究結(jié)果表明，兩種不同生活型蚯蚓均可對土壤氨基酸產(chǎn)生影響，土壤氨基酸總含量及各組分含量在愛勝蚓和環(huán)毛蚓作用下的增加或減少趨勢相同(土壤酸解氨基酸組分纈氨酸除外)，但改變幅度卻存在明顯差異。總體而言，愛勝蚓作用效果優(yōu)于環(huán)毛蚓，這可能和愛勝蚓及環(huán)毛蚓的形態(tài)、掘穴特征和取食習慣的差異有關，這些差異最終導致了兩種蚯蚓對土壤氨基酸作用的不同[23]，愛勝蚓表現(xiàn)更佳可能和其體型小，更加適應實驗室小型培養(yǎng)容器有關。

土壤氨基酸含量的增加有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)朝著穩(wěn)定健康的方向發(fā)展。首先，它是植物重要的氮營養(yǎng)來源之一，可被植物直接吸收利用，氨基酸含量的大幅提高，可縮短植物吸收氮源的效率和時間，打破生態(tài)系統(tǒng)氮礦化速率的限制，促進根系對氮源的吸收，影響植物的生長發(fā)育，進而影響整個土壤生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力；其次，氨基酸還是是土壤氮循環(huán)中重要的一環(huán)，氨基酸經(jīng)過微生物氨化作用生成銨態(tài)氮，銨態(tài)氮在微生物經(jīng)過硝化作用生成硝態(tài)氮，氨基酸的礦化作用、硝化作用和氨化作用相互影響相互調(diào)節(jié)共同影響土壤中氮的轉(zhuǎn)化，其含量的增加可改變整個土壤生態(tài)系統(tǒng)中無機氮的含量；再次，土壤氨基酸可通過提供養(yǎng)分和活化養(yǎng)分兩個途徑提高土壤速效養(yǎng)分的含量；此外，土壤氨基酸含量的提高可以增加有機碳源的多樣性，可促進土壤微生物多樣性的恢復，改善微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，抑制植物病原菌的種群數(shù)量，提高植物的抗病害能力，減少連作障礙；同時，通過改變微生物數(shù)量、活性及為土壤酶創(chuàng)造良好的反應環(huán)境兩個途徑提升土壤酶的活性和數(shù)量，改善土壤理化性質(zhì)，提升土壤質(zhì)量。總之，土壤氨基酸的增加不僅促進了植物的生長發(fā)育，抑制了土傳植物病原菌的定殖與存活，而且在土壤生態(tài)系統(tǒng)中化學元素礦化、土壤肥力保持與改善、能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)等方面發(fā)揮著了至關重要的積極作用[16-17,24-26]。目前，普遍認為蚯蚓對土壤肥力條件的改善及隨后植物生長的促進是主要原因，是蚯蚓通過生理代謝和生物擾動對土壤有機質(zhì)、土壤酸度、土壤團聚結(jié)構(gòu)和土壤生物活性等影響的總體表現(xiàn)，通過考察蚯蚓作用后氨基酸含量的變化及對土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來的影響，可以在一定程度上揭示蚯蚓影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的作用機制。

[1] 楊絨, 嚴德翼, 周建斌, 汪文霞, 馬勤安. 黃土區(qū)不同類型土壤可溶性有機氮的含量及特性. 生態(tài)學報, 2007, 27(4): 1397-1403.

[2] Jones D L, Darrah P R. Amino-acid influx at the soil-root interface ofZeamaysL. and its implications in the rhizosphere. Plant and Soil, 1994, 163(1): 1-12.

[3] 張強, 陳明昌, 程濱, 楊治平, 丁玉川, 劉平. 植物與土壤的氨基酸營養(yǎng)研究進展. 山西農(nóng)業(yè)科學, 2001, 29(1): 42-44.

[4] 李世清, 李生秀, 李東方. 長期施肥對半干旱農(nóng)田土壤氨基酸的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2002, 35(1): 63-67.

[5] 魯子豫, 王文穎, 王啟基. 江河源區(qū)高寒嵩草草甸土壤氨基酸成分和含量特征分析. 土壤通報, 2008, 39(6): 1302-1306.

[6] 徐陽春, 沈其榮, 茆澤圣. 長期施用有機肥對土壤及不同粒級中酸解有機氮含量與分配的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2002, 35(4): 403-409.

[7] 施書蓮, 周克瑜, 楊文醒. 土壤剖面不同粒級中氨基酸組成特征. 土壤, 1998, 30(4): 209-213.

[8] 李典友, 潘根興, 向昌國, 褚清河, 丁玉川. 土壤中蚯蚓資源的開發(fā)應用研究及展望. 中國農(nóng)學通報, 2005, 21(10): 340-347.

[9] Gilot-Villenave C, Lavelle P, Ganry F. Effects of a tropical geophagous earthworm, Millsonia anomala, on some soil characteristics, on maize-residue decomposition and on maize production in Ivory Coast. Applied Soil Ecology, 1996, 4(3): 201-211.

[10] 陶軍, 張樹杰, 焦加國, 李沙, 劉滿強, 胡鋒, 李輝信. 蚯蚓對秸稈還田土壤細菌生理菌群數(shù)量和酶活性的影響. 生態(tài)學報, 2010, 30(5): 1306-1311.

[11] 張寶貴. 蚯蚓與微生物的相互作用. 生態(tài)學報, 1997, 17(5): 556-560.

[12] Lavelle P, Bignell D, Lepage M. Soil function in a changing world: the role of invertebrate ecosystem engineers. European Journal of Soil Biology, 1997, 33(4): 159-193.

[13] Dai J, Becquer T, Henri R. Heavy metal accumulation by two earthworm species and its relationship to total and DTPA-extractable metals in soils. Soil Biology and Biochemistry, 2004, 36(1): 91-98.

[14] Wang D D, Li H X, Hu F. Role of earthworm-straw interactions on phytoremediation of Cu contaminated soil by ryegrass. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(4): 1292-1298.

[15] 李世清, 李生秀, 楊正亮. 不同生態(tài)系統(tǒng)土壤氨基酸氮的組成及含量. 生態(tài)學報, 2002, 22(3): 379-386.

[16] G?rs S, Rentsch D, Schiewer U, Karsten U, Schumann R. Dissolved organic matter along the eutrophication gradient of the DarA-Zingst bodden chain, Southern Baltic Sea I. Chemical characterisation and composition. Marine Chemistry, 2007, 104(3/4): 125-142.

[17] 馬林. 植物對氨基酸的吸收和利用. 西南科技大學學報, 2004, 19(1): 102-107.

[18] Nancy R, Werdin P, Kielland K, Boone R D. Soil amino acid composition across a boreal forest successional sequence. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(6): 1210-1220.

[19] Zhang S J, Hu F, Li H X. Effects of earthworm mucus and amino acids on subcellular distribution and chemical forms of cadmium in tomato seedlings. Bioresource Technology, 2009, 100(17): 4041-4046.

[20] 王丹丹, 李輝信, 魏正貴, 劉滿強, 王霞, 胡鋒. 蚯蚓和秸稈對銅污染土壤微生物類群和活性的影響. 應用生態(tài)學報, 2007, 18(5): 1113-1119.

[21] 王斌, 李根, 陳歡, 焦加國, 劉滿強, 蔣洋楊, 胡鋒, 李輝信. 蚯蚓作用下土壤化學組成和性狀的動態(tài)變化. 水土保持學報, 2013, 27(3): 273-277.

[22] 郭新春, 曹裕松, 邢世和. 閩北3種人工林土壤游離氨基酸組成及其差異研究. 江西師范大學學報: 自然科學版, 2013, 37(3): 310-315.

[23] Langmaack M, Schrader S, Rapp-Bernhardt U, Kotzke K. Quantitative analysis of earthworm burrow systems with respect to biological soil-structure regeneration after soil compaction. Biology and Fertility of Soils, 1999, 28(3): 219-229.

[24] 李俊華, 沈其榮, 褚貴新, 危常州, 喬旭, 楊興明. 氨基酸有機肥對棉花根際和非根際土壤酶活性和養(yǎng)分有效性的影響. 土壤, 2011, 43(2): 277-284.

[25] 張樹生, 楊興明, 黃啟為, 徐陽春, 沈其榮. 施用氨基酸肥料對連作條件下黃瓜的生物效應及土壤生物性狀的影響. 土壤學報, 2007, 44(4): 689-694.

[26] 崔雄維, 刀靜梅, 樊仙, 張躍彬, 劉少春, 郭家文, 李如丹. 氨基酸復合微肥對甘蔗產(chǎn)質(zhì)量及土壤有效態(tài)微量元素的影響. 中國農(nóng)學通報, 2011, 27(27): 215-219.

Effects of earthworm on constituent and amount of amino acid in soil

WANG Bin1,2, JIANG Yangyang1, JIAO Jiaguo1, LIU Manqiang1,3, CHEN Huan1, HU Feng1, LI Huixin1,3,*

1CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAriculturalUniversity,Nanjing210095,China2InstituteofAgriculturalEngineering,AnhuiAcademyofAgriculturalScience,Hefei230031,China3JiangsuCollaborativeInnovationCenterforSolidOrganicWasteResourceUtilization,Nanjing210095,China

The research was investigated to explore the effects of two types of earthworm (EiseniafoetidaandMetaphireguillelmii) on content and constituent of soil amino acids in lab. The main results were as follows: 1) The content of soil amino acids was modified by addition of earthworm, as the amount of acidic hydrolysable amino acid in soil was increased 5.08 g/kg and 3.86 g/kg by activities ofEiseniafoetidaandMetaphireguillelmiirespectively, and content of free amino acid was enhanced 7.72 mg/kg and 4.44 mg/kg in addition ofEiseniafoetidaandMetaphireguillelmiirespectively. 2) The proportion of neutral amino acid to acid hydrolysable amino was the largest (average 51.9%), the acidic amino acid took the second place (average 23.3%), while the sulfur-containing and basic amino acid made up only 14.4% and 10.4% respectively. So was the free amino acid, as neutral amino acid played the primary part of 54.4%, and basic amino acid accounted just for 7.2%. 3) Earthworm activities did not alter the species of amino acid, of which 16 sorts of acid hydrolysable amino acid and 14 kinds of free amino acid were detected. 4) The constituent content of acid hydrolysable amino acid in soil was affected significantly by the activities of earthworm: with addition ofEiseniafoetida, the aspartic acid, arginine, methionine, alanine and lysine were increased above 85.7%, while the valine, threonine, serine, glutamic acid, leucine, tyrosine and histidine had 40.7%—62.7% increasing. In the treatment ofMetaphireguillelmii, methionine, lysine, aspartic acid, tyrosine and alanine were enhanced significantly at least 71.9%; glycine, arginine and isoleucine had been increased 56.8%、55.6% and 54.9% respectively; the smallest increasing below 40% appeared in serine, leucine, threonine, glutamic acid, histidine and phenylalanine. 5) Addition of earthworm changed the constituent content of free amino acid obviously in the same time: underEiseniafoetidaactivities, the histidine, arginine, glycine, leucine, isoleucine and alanine had the greatest growth (more than 150%), but aspartic acid, threonine, serine, valine, glutamic acid and phenylalanine were increased gently of 58.8%—92.1%. Because of addition ofMetaphireguillelmii, a significant increasing of 184.2%、173.3%、163.0% and 116.6% appeared in aspartic acid, arginine, serine and isoleucine respectively; The growth of threonine, leucine, valine and glycine were from 52.3% to 92.7%; The increasing of glutamic acid, histidine, phenylalanine, alanine and methionine were below 33.1%, while cysteine decreased significantly with 11.8%. Obviously, two biotypes of earthworm showed the same trend in total and constituent content of soil amino acid, but there are significant differences in intensity. Overall,Eiseniafoetidadid better thanMetaphireguillelmi.

earthworm; soil; acidic hydrolyzable amino acid; free amino acid

國家自然科學基金(41171206)

2013-11-20;

2014-09-09

10.5846/stxb201311202775

*通訊作者Corresponding author.E-mail: huixinli@njau.edu.cn

王斌, 蔣洋楊, 焦加國, 劉滿強, 陳歡, 胡鋒, 李輝信.蚯蚓活動對土壤氨基酸組分及含量的影響.生態(tài)學報,2015,35(14):4816-4823.

Wang B, Jiang Y Y, Jiao J G, Liu M Q, Chen H, Hu F, Li H X.Effects of earthworm on constituent and amount of amino acid in soil.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4816-4823.